[논문 리뷰] Cell-Free Massive MIMO with Underlaid D2D Communications and Low Resolution ADCs.

Hamed Masoumi, Mohammad Javad Emadi외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 20.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 44인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 셀리스 매크로멀티모드(MIMO) 시스템에 하부 D2D 통신과 저해상도 ADCs를 통합하여, 도메인 기반 및 그래프 색칠 기반 피LOT 할당을 통해 피LOT 오염을 완화하고 기하프로그래밍 기반 전력 제어를 통해 품질보증(QoS) 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율을 극대화하는 방법을 제안한다. 결과적으로 무작위 피LOT 할당 및 전력 전송 방식에 비해 뚜렷한 성능 향상을 보였다.

ABSTRACT

In this article, we investigate uplink transmission of a cell-free massive multiple-input multiple-output (CF-mMIMO) system, underlaid with device-to-device (D2D) communications, and assuming that access points (APs) are equipped with low resolution analog-to-digital converters (ADCs). D2D user equipments (DUEs) are assumed to communicate in the same time-frequency resources as the CF-mMIMO user equipments (CFUEs). We derive closed-form expressions for achievable rates of both types of users, with perfect and imperfect channel state information. A set of orthogonal pilot sequences is reused among all the users to enable channel estimation. Then, greedy and graph coloring-based algorithms are employed to reduce pilot contamination. Furthermore, in order to control interference and improve the performance, two power control strategies are considered; the former aims at maximizing CFUEs' sum spectral efficiency (SE) subject to quality of service constraints on DUEs, while the latter maximizes weighted product of CFUEs' and DUEs' signal-to-interference-plus-noise-ratios (SINRs). For both the optimization problems, a solution based on geometric programming (GP) is developed. Finally, numerical results are provided to highlight the system performance and to show the improvements granted by the use of the proposed pilot assignment algorithms and power allocation solution, compared with the random pilot assignment and full power transmission case.

연구 동기 및 목표

• 셀리스 매크로멀티모드(MIMO) 시스템에서 하부 D2D 통신과 저해상도 ADCs를 통합한 업링크 전송을 분석한다.
• CF-mMIMO 및 D2D 사용자 간에 재사용된 정규직교 피LOT 시퀀스로 인한 피LOT 오염 문제를 해결한다.
• D2D 사용자의 품질보증(QoS)을 보장하면서 스펙트럼 효율성을 최적화하는 전력 제어 전략을 설계한다.
• 간섭을 줄이고 시스템 성능을 향상시키기 위해 구조적인 자원 재사용을 통한 피LOT 할당 알고리즘을 개발한다.
• 불완전한 채널 상태 정보가 제안된 시스템의 구현 가능한 속도에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 완전한 및 불완전한 채널 상태 정보 하에서 CF-mMIMO 사용자 및 D2D 사용자의 구현 가능한 속도에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 모든 사용자 간에 재사용되는 정규직교 피LOT 시퀀스 세트를 활용하여 업링크에서 채널 추정을 가능하게 한다.
• 피LOT 오염을 줄이기 위해 근사적 및 그래프 색칠 기반 알고리즘을 적용하여 피LOT를 할당한다.
• 기하프로그래밍 기반 전력 제어 전략 두 가지를 제안한다: 하나는 DUE QoS 제약 조건 하에서 CFUE의 스펙트럼 효율 합을 극대화하는 것이고, 다른 하나는 CFUE 및 DUE SINR의 가중 곱을 극대화하는 것이다.
• 접근점에서 저해상도 ADCs를 사용하여 시스템 설계에서 실제 하드웨어 제약 조건을 모델링한다.
• 협동적 전력 할당 및 피LOT 할당을 통한 간섭 관리를 통해 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 셀리스 매크로멀티모드(MIMO) 시스템에서 하부 D2D 통신과 저해상도 ADCs를 통합한 경우 피LOT 오염은 구현 가능한 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 그리디 및 그래프 색칠 기반 피LOT 할당 알고리즘이 무작위 할당 대비 피LOT 오염을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 기하프로그래밍 기반 전력 제어가 스펙트럼 효율성과 공정성 측면에서 전력 전부 사용 방식에 비해 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ4 불완전한 채널 상태 정보와 저해상도 ADCs가 함께 시스템의 스펙트럼 효율성과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 전력 제약 조건 하에서 CFUE의 스펙트럼 효율 합 극대화와 D2D 사용자에 대한 QoS 보장 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 피LOT 할당 알고리즘이 피LOT 오염을 크게 줄여 무작위 피LOT 할당에 비해 CF-mMIMO 및 D2D 사용자 모두의 구현 가능한 속도를 높였다.
• CFUE 및 DUE SINR의 가중 곱을 극대화하는 기하프로그래밍 기반 전력 제어 전략이 QoS 제약 조건 하에서 스펙트럼 효율 합 극대화 전략보다 더 높은 스펙트럼 효율성과 공정성을 달성했다.
• 저해상도 ADCs가 적용된 시스템에서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지하여 제안된 설계의 하드웨어 결함에 대한 강건성을 입증했다.
• 저밀도 사용자 환경에서보다 간섭이 심한 고밀도 사용자 환경에서 최적화된 피LOT 할당 및 전력 제어의 성능 향상이 가장 두드러졌다.
• 불완전한 채널 상태 정보는 시스템 성능을 저하시키지만, 제안된 방법은 강인한 간섭 완화 및 전력 제어 덕분에 여전히 효과적이다.
• 수치적 결과는 체계적인 피LOT 할당과 적응형 전력 제어의 조합이 기준 방식에 비해 스펙트럼 효율성에서 뚜렷한 향상을 이룬다는 것을 확인했다.